《邊界層氣象學(xué)》教學(xué)大綱

1、邊界層氣象學(xué)Boundary Layer Meteorology一、課程基本情況課程類別：（專業(yè)主干課）課程學(xué)分： 2 學(xué)分課程總學(xué)時(shí)：32學(xué)時(shí)，其中講課： 32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)（含上機(jī)）： 學(xué)時(shí)，課外 學(xué)時(shí)課程性質(zhì)：必修開課學(xué)期：第5學(xué)期先修課程：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理、大氣物理學(xué)、流體力學(xué)、適用專業(yè)：大氣物理、大氣科學(xué)、應(yīng)用氣象教 材：編者，教材名稱（版次），出版社，出版年份等。（無）開課單位：大氣物理學(xué)院 大氣物理系二、課程性質(zhì)、教學(xué)目標(biāo)和任務(wù)“大氣邊界層”（Atmospheric Boundary Layer）是受下墊面強(qiáng)迫作用最劇烈，存在各種尺度的湍流，湍流輸送作用起著重要作用并導(dǎo)致氣象要素有

2、顯著日變化。大氣邊界層雖然很薄，典型厚度從百米到一兩公里，時(shí)間尺度小于24h，但它在地球各個(gè)圈層相互作用中卻扮演了十分重要的角色。本課程是大氣科學(xué)方向、大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境方向、應(yīng)用氣象方向的專業(yè)主干課，其目的是使學(xué)生掌握大氣邊界層中各種物理變化過程，以及這門學(xué)科與天氣學(xué)、氣候?qū)W、環(huán)境學(xué)、農(nóng)業(yè)氣象學(xué)之間內(nèi)在聯(lián)系。課程學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握氣象要素的鉛直分布規(guī)律及其變化特征，了解大氣湍流微結(jié)構(gòu)特征，掌握研究大氣邊界層的相似理論和半經(jīng)驗(yàn)理論的方法與技術(shù)，使學(xué)生具有參加邊界層理論研究與觀測(cè)研究的初步能力。課程中的主要內(nèi)容（a）湍流的基本特征，湍流的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如何去計(jì)算湍流。（b）湍流與邊界層內(nèi)氣象要素之間

3、的關(guān)系。（c）大氣邊界層內(nèi)各氣象要素的分布特征及日變化規(guī)律。（d）下墊面強(qiáng)迫對(duì)湍流的影響，以及對(duì)氣象要素的影響。三、教學(xué)內(nèi)容和要求第一章邊界層氣象學(xué)研究的對(duì)象、意義、方法及進(jìn)展（2學(xué)時(shí)）（1）掌握大氣邊界層定義及基本特征（2）理解本門課程的研究對(duì)象、研究方法、研究意義，以及相關(guān)可拓展領(lǐng)域重點(diǎn)：大氣邊界層的定義，主要研究內(nèi)容，主要研究方法難點(diǎn)：和自由大氣的區(qū)別在哪里？第二章大氣邊界層湍流基礎(chǔ)（4學(xué)時(shí)）（1）掌握平均場與湍流場的基本概念及主要特征（2）理解湍流特征量及基本統(tǒng)計(jì)學(xué)方法（3）了解大氣湍流譜的基本構(gòu)成（4）掌握大氣湍流通量意義與輸送特征（5）理解大氣湍流動(dòng)能的基本概念及物理意義重點(diǎn)：湍流

4、的定義，湍流研究方法難點(diǎn)：建立湍流運(yùn)動(dòng)三維概念模型第三章大氣邊界層結(jié)構(gòu)（4學(xué)時(shí)）（1）了解大氣邊界層的垂直分布結(jié)構(gòu)（2）掌握不同穩(wěn)定度條件下，邊界層結(jié)構(gòu)的變化（3）掌握下墊面對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)影響的主要原因重點(diǎn)：大氣邊界層的垂直分層難點(diǎn)：下墊面對(duì)邊界層結(jié)構(gòu)的影響過程第四章大氣邊界層支配方程（6學(xué)時(shí)）（1） 理解大氣運(yùn)動(dòng)尺度的概念及Boussinesq 近似的物理意義（2）掌握雷諾平均運(yùn)動(dòng)方程組的簡化形式、通量梯度關(guān)系和湍流粘性應(yīng)力等基本概念 （3）理解從基本方程出發(fā)到平均量方程、方差預(yù)報(bào)方程、湍流能量方程及湍流通量預(yù)報(bào)方程的推導(dǎo)過程 （4）掌握平均量方程、湍流能量方程中各項(xiàng)的物理意義及變化特征 （5

5、）理解湍流能量的產(chǎn)生、變化及消亡的影響因子及物理過程 （6）掌握湍流能量與穩(wěn)定度參數(shù)的定義，閾值等關(guān)系 （7）了解湍流閉合理論重點(diǎn)：大氣邊界層內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制方程難點(diǎn)：大氣邊界層與自由大氣控制方程的差異第五章定常條件下的大氣邊界層（4學(xué)時(shí)）（1）掌握近地層相似理論，掌握風(fēng)速對(duì)數(shù)律和指數(shù)律、風(fēng)、溫、濕的對(duì)數(shù)加線性律，MO長度和Ri等穩(wěn)定度參數(shù)，量綱分析法（2）理解全邊界層相似理論（3）理解半經(jīng)驗(yàn)理論在邊界層研究中的應(yīng)用（4）了解大氣邊界層中湍流譜特征、譜相似的原理重點(diǎn)：相似理論在大氣邊界層中的應(yīng)用難點(diǎn)：對(duì)流邊界層和穩(wěn)定邊界層的相似關(guān)系，譜相似的適用條件第六章非定常條件下的邊界層氣象學(xué)（4學(xué)時(shí)）（1）

6、掌握非定常條件下邊界層溫、壓、濕、風(fēng)變化一般特征（2）掌握地表強(qiáng)迫引起的非定常變化（3）掌握對(duì)流邊界層和穩(wěn)定邊界層中氣象要素的變化特征重點(diǎn)：對(duì)流邊界層和穩(wěn)定邊界層中大氣運(yùn)動(dòng)的主要特征及差異難點(diǎn)：不同穩(wěn)定度條件下大氣邊界層中氣象要素分布特征差異是如何導(dǎo)致的第七章非均一下墊面的大氣邊界層（4學(xué)時(shí)）（1）了解非均勻下墊面的分類及屬性（2）了解山地環(huán)流、海陸環(huán)流、湖陸環(huán)流對(duì)邊界層大氣運(yùn)動(dòng)的影響（3）了解地形起伏對(duì)邊界層大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響（4）了解城市大氣邊界層的主要特征重點(diǎn)：非均一下墊面的強(qiáng)迫作用 難點(diǎn)：各種不同下墊面對(duì)大氣強(qiáng)迫過程的差異第八章大氣邊界層的數(shù)值模擬研究（4學(xué)時(shí)）（1）了解數(shù)值模式對(duì)大氣邊界層的模擬（2）了解數(shù)值模式的種類（3）了解數(shù)值模擬過程中的湍流閉合技術(shù)（4）了解大氣邊界層模擬在天氣、氣候、空氣污染預(yù)報(bào)中的應(yīng)用重點(diǎn)：數(shù)值模式如何刻畫邊界層內(nèi)的大氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律難點(diǎn)：湍流計(jì)算過程中如何閉合四、課程考核（1）作業(yè)等：作業(yè)： 2次，課程論文： 篇；（2）考核方式：閉卷考試（3）總評(píng)成績計(jì)算方式：平時(shí)成績20%，期末考試成績80%五、參考書目（1）R-B.Stull, 邊界層氣象學(xué)導(dǎo)論，氣象出版社，1991（2）李宗愷等編著，空氣污染氣象學(xué)原理及應(yīng)用氣象出版社，1985（3）萊赫特曼著，濮培民譯，大氣邊界層物理學(xué)，科學(xué)出版社，1982（4）F.Pasquill et al ,At